DE102017003876A1 - Wind energy plant with converter connected via a connecting line - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einem in einer Gondel angeordneten Generator und einem über eine Verbindungsleitung angeschlossenen Umrichter. Insbesondere ist der Umrichter gondelfern angeordnet und über eine lange Verbindungsleitung an den Generator in der Gondel angeschlossen. Um die Windenergieanlagen so zu verbessern, dass die Filter weniger kritisch sind, sind ferner vorgesehen ein mit beiden Wechselrichtern synchroner Träger zur Ansteuerung der Stromventile mit jeweils einer Zyklenlage, ein Relativlage-Detektor, der dazu ausgebildet ist, die Zyklenlage für beide Wechselrichter zu ermitteln und deren relative Lage zueinander zu bestimmen, und ein Zyklenlageschieber, der mit dem Relativlage-Detektor zusammenwirkt und ausgebildet ist zur Verschiebung der Zyklenlage zumindest eines der Wechselrichter abhängig von der ermittelten relativen Lage.The invention relates to a wind energy plant with a generator arranged in a nacelle and a converter connected via a connecting line. In particular, the inverter is arranged gondelfern and connected via a long connecting line to the generator in the nacelle. In order to improve the wind turbines so that the filters are less critical, are also provided with a synchronous two carriers for controlling the flow control valves, each with a cycle position, a relative position detector, which is adapted to determine the cycle position for both inverters and to determine their relative position to each other, and a Zyklenlageschieber, which cooperates with the relative position detector and is adapted to shift the cycle position of at least one of the inverters depending on the determined relative position.
Description
Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einem in einer Gondel angeordneten Generator und einem über eine Verbindungsleitung angeschlossenen Umrichter. Insbesondere ist der Umrichter gondelfern angeordnet und über eine lange Verbindungsleitung an den Generator in der Gondel angeschlossen.The invention relates to a wind energy plant with a generator arranged in a nacelle and a converter connected via a connecting line. In particular, the inverter is arranged gondelfern and connected via a long connecting line to the generator in the nacelle.
Bei modernen Windenergieanlagen mit Umrichter sind zwei grundlegend verschiedene Bauarten bekannt. Die eine Bauart sieht eine gemeinsame Anordnung von Generator und Umrichter in der Gondel vor. Hierbei sind entweder der Generator und der Umrichter miteinander verblockt oder über eine sehr kurze Verbindungsleitung miteinander verbunden. Dies bringt den Vorteil einer kurzen Niedervolt-Verbindung mit sich. Ferner ist die Anordnung kompakt. Jedoch ist die Anordnung des Umrichter in der Gondel aus konstruktiven Gründen häufig unvorteilhaft.In modern wind turbines with inverter two fundamentally different types are known. One type provides for a common arrangement of generator and inverter in the nacelle. Here, either the generator and the inverter are locked together or connected to each other via a very short connection line. This brings the advantage of a short low-voltage connection with it. Furthermore, the arrangement is compact. However, the arrangement of the inverter in the nacelle is often unfavorable for structural reasons.
Die andere Bauart sieht eine verteilte Anordnung von Generator und Umrichter vor, wobei der Umrichter nicht in der Gondel, sondern gondelfern im Turm oder gar am Turmfuß angeordnet ist. Diese Anordnung kann konstruktive Vorteile für sich buchen. Zum einen ist das beträchtliche Gewicht des Umrichters nicht oben am Kopf des Turms, sondern weiter unten angeordnet. Zum anderen ist die Verbindungsleitung nunmehr eine reine Niedervolt-Leitung, so dass dementsprechend im Turminneren die Einhaltung der weniger strengen Vorschriften für den Umgang mit Niedervolt-Anlagen gelten (anders als die erheblich strengeren Vorschriften für den Umgang mit Mittelspannungsanlagen, wie es sonst erforderlich wäre). Diesem regulatorischen Vorteil steht als Nachteil gegenüber, dass durch die vom Umrichter aufgeprägten blockförmigen Spannungen es in Verbindung mit parasitären Kapazitäten zu Wanderwellen auf der Verbindungsleitung sowie dann auch in der Generatorwicklung kommen kann, die zu Überspannungen und Resonanzen führen. Diese können zu Schädigungen führen. Es wird daher versucht, sie durch Spannungsfilter zu vermindern.The other type provides a distributed arrangement of generator and inverter, the inverter is not located in the nacelle, but gondola remote in the tower or even at the base of the tower. This arrangement can book constructive advantages for themselves. First, the considerable weight of the inverter is not at the top of the head of the tower, but arranged further down. On the other hand, the connection line is now a pure low-voltage line, so that accordingly inside the tower compliance with the less stringent rules for dealing with low-voltage systems apply (unlike the much stricter regulations for handling medium voltage systems, as would otherwise be required) , This regulatory advantage is counteracted by the disadvantage that, due to the block-shaped voltages impressed by the converter, traveling waves can occur on the connecting line and then also in the generator winding in conjunction with parasitic capacitances, leading to overvoltages and resonances. These can lead to damage. It is therefore attempted to reduce it by voltage filters.
In der Praxis bereitet jedoch bei Windenergieanlagen mit gondelfern angeordnetem Umrichter die Auslegung besagter Filter häufig Probleme. Denn sie müssen verschiedene Ziele bedienen. Zum einen geht es darum, die Flankensteilheit zu begrenzen und Überspannungen gering zu halten. Ferner soll das Einschwingverhalten möglichst gut gedämpft sein. Dies alles soll erreicht werden, ohne große Verluste zu produzieren. Diese Anforderungen sind in der Praxis meist konträr. Die Auslegung der Filter ist daher schwierig. Über dem Betriebsbereich gesehen sind sie häufig nicht robust und/oder weisen hohe Verluste auf.In practice, however, in wind turbines with inverters arranged remote from the gondola, the design of said filters often presents problems. Because they have to serve different goals. On the one hand, it is about limiting the edge steepness and keeping overvoltages low. Furthermore, the transient response should be damped as well as possible. All this should be achieved without producing large losses. These requirements are usually contrary in practice. The design of the filter is therefore difficult. Over the operating range, they are often not robust and / or have high losses.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Windenergieanlagen so zu verbessern, dass die Filter weniger kritisch sind.The invention is based on the object to improve the wind turbines so that the filters are less critical.
Die erfindungsgemäße Lösung liegt in den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.The solution according to the invention lies in the features of the independent claims. Advantageous developments are the subject of the dependent claims.
Bei einer Windenergieanlage mit einem Generator in einer Gondel, der von einem Windrotor angetrieben ist, einem Umrichter, der mit dem Generator zusammenwirkt zur Erzeugung elektrischer Leistung, einer Verbindungsleitung zwischen Generator in der Gondel und dem Umrichter, der vorzugsweise gondelfern angeordnet ist, wobei der Umrichter einen generatorseitigen und einen netzseitigen Wechselrichter umfasst, deren Stromventile mittels einer Schaltfrequenz zyklisch angesteuert sind, sind erfindungsgemäß vorgesehen ein mit beiden Wechselrichtern synchroner Träger zur Ansteuerung der Stromventile mit jeweils einer Zyklenlage,
ein Relativlage-Detektor, der dazu ausgebildet ist, die Zyklenlage für beide Wechselrichter zu ermitteln und deren relative Lage zueinander zu bestimmen, und ein Zyklenlageschieber, der mit dem Relativlage-Detektor zusammenwirkt und ausgebildet ist zur Verschiebung der Zyklenlage eines der Wechselrichter abhängig von der ermittelten relativen Lage.In a wind turbine with a generator in a nacelle, which is driven by a wind rotor, a converter, which cooperates with the generator for generating electrical power, a connecting line between the generator in the nacelle and the inverter, which is preferably arranged away from the gondola, wherein the inverter a generator-side and a network-side inverter whose current valves are cyclically controlled by means of a switching frequency, the invention provides a synchronous with two inverters carrier for controlling the flow control valves, each with a cycle position,
a relative position detector, which is designed to determine the cycle position for both inverters and to determine their relative position to each other, and a Zyklenlageschieber, which cooperates with the relative position detector and is adapted to shift the cycle position of the inverter depending on the determined relative position.
Durch die Verschiebung der relativen Zyklenlage kann somit eine erhebliche Verringerung von Gleichtaktspannungen auf der Verbindungsleitung erreicht werden. Damit wird die Anregung zu Schwingungen und Wanderwellen entsprechend ebenso verringert. Es hat sich gezeigt, dass mit der erfindungsgemäßen Maßnahmen eine Verringerung der Spannung der Gleichtaktschwingungen um 2/3 erfolgen kann. Filter- und Spannungsverluste werden so - nicht zuletzt wegen des quadratischen Zusammenhangs zwischen Spannung und Leistung - deutlich verringert. Die Filter brauchen daher nicht mehr so aggressiv ausgelegt zu werden, und werden damit robuster und weisen geringere Verluste auf. Es wird so die Verwendung einfacher, kleinerer Filter ermöglicht. Zudem sind die Verluste verringert.By shifting the relative cycle position can thus be achieved a significant reduction of common mode voltages on the connecting line. This also reduces the excitation to oscillations and traveling waves accordingly. It has been found that with the measures according to the invention, a reduction of the voltage of the common mode oscillations by 2/3 can take place. Filter and voltage losses are significantly reduced - not least because of the quadratic relationship between voltage and power. The filters therefore no longer need to be designed as aggressive, and thus become more robust and have lower losses. This allows the use of simple, smaller filters. In addition, the losses are reduced.
Der Umrichter kann als Vollumrichter (insbesondere für Käfigläuferasynchrongeneratoren oder Synchrongeneratoren) oder als Teilumrichter (insbesondere für doppelt gespeiste Asynchrongeneratoren) ausgeführt sein.The converter can be designed as a full converter (in particular for squirrel-cage asynchronous generators or synchronous generators) or as a partial converter (in particular for double-fed asynchronous generators).
Zweckmäßigerweise ist der Relativlage-Detektor so ausgebildet, den Zyklenlageschieber nur dann anzusteuern, wenn die Relativlage außerhalb eines Intervalls ist. Hierbei sind die Grenzen des Intervalls vorzugsweise dynamisch bestimmt.Conveniently, the relative position detector is designed to drive the cycle shifter only when the relative position is outside of an interval. In this case, the limits of the interval are preferably determined dynamically.
Vorzugsweise ist ein Selektor vorgesehen, der mit Vorteil dynamisch auswählt, welcher der beiden Wechselrichter der Umrichters bezüglich seiner Zyklenlage verschoben wird. Die Einwirkung auf lediglich einen der beiden Wechselrichter ermöglicht eine direktere Kontrolle und vermeidet im Übrigen die Gefahr von Regelschwingungen durch unerwünschte Mitkopplung. Zweckmäßigerweise wird der Selektor belastungsgesteuert betätigt. Das kann mit Vorteil so gesteuert sein, dass abhängig von einem Belastungsmaß derjenige Wechselrichter von dem Selektor ausgewählt ist, der das niedrigere Belastungsmaß aufweist. Dies hat den Vorteil, dass der weniger belastete der beiden Wechselrichter zu der Verschiebung herangezogen wird. Zweckmäßigerweise kann als Belastungsmaß die Spannung an den beiden Wechselrichtern vorgesehen sein, wobei dann der Wechselrichter vom Selektor ausgewählt ist, der die niedrigere Spannung aufweist; alternativ kann auch ein Zeitparamater als Belastungsmaß fungieren, beispielsweise eine Intervalldauer eines Intervall, das zwischen Minimalwert und Maximalwert aufgespannt ist, wie nachfolgend noch näher erläutert werden wird. Preferably, a selector is provided which dynamically selects with advantage which of the two inverters of the converter is shifted relative to its cycle position. The effect on only one of the two inverters allows a more direct control and avoids incidentally the risk of control oscillations by unwanted positive feedback. Conveniently, the selector is actuated load controlled. This can be controlled with advantage in such a way that, depending on a load dimension, that inverter is selected by the selector which has the lower load dimension. This has the advantage that the less loaded of the two inverters is used for the shift. Conveniently, the voltage at the two inverters can be provided as a load measure, in which case the inverter is selected by the selector, which has the lower voltage; Alternatively, a time parameter can also act as a load measure, for example an interval duration of an interval that is spanned between the minimum value and the maximum value, as will be explained in more detail below.
Mit Vorteil ist eine Phasensortiereinheit vorgesehen, welche im Bezug auf die Phasen des Wechselrichters nach ihrer Amplitude zu sortieren. Zweckmäßigerweise ist für jeden der beiden Wechselrichter solche Transformationseinheit vorgesehen. Die Transformationseinheit ordnet auf diese Weise die Phasen hinsichtlich ihres Betrags und ermöglicht so eine einfachere Bestimmung der Zyklenlage. Mittels eines Intervallbildungsmoduls kann zweckmäßigerweise aus der minimalen und maximalen Phase das Intervall gebildet werden.Advantageously, a phase sorting unit is provided, which with respect to the phases of the inverter to sort according to their amplitude. Expediently, such a transformation unit is provided for each of the two inverters. The transformation unit thus arranges the phases in terms of their amount and thus enables a simpler determination of the cycle situation. By means of an interval forming module, the interval can expediently be formed from the minimum and maximum phase.
Zweckmäßigerweise ist eine Kreuzvergleichseinheit vorgesehen, die die Lagevektoren der beiden Wechselrichter miteinander über Kreuz vergleicht. Unter „kreuzweise“ wird hierbei verstanden, dass ein Wert für die mittlere Phase des einen Wechselrichter verglichen wird mit Werten für den Minimal- und dem Maximalwert des anderen Wechselrichters. Es wird darauf geprüft, ob der mittlere Wert in dem durch den Minimalwert und Maximalwert aufgespannten Intervall liegt. Ist das der Fall, wird ein entsprechendes Signal ausgegeben, um die Zyklenlage desjenigen Wechselrichters zu verändern, dessen Werte die Grenzen des Intervalls bestimmen. Damit wird durch die Verschiebung der Zyklen dieses Wechselrichters erzwungen, dass die Bedingung des In-das-Intervall-fallen erfüllt wird. Auf diese Weise wird ein überdeckender Betrieb der beiden Wechselrichter sichergestellt. Dies ist, wie die Erfindung erkannt hat, günstig für eine Verringerung der Gleichtaktspannungen.Conveniently, a cross-comparison unit is provided which compares the position vectors of the two inverters with each other crosswise. By "crosswise" is meant here that a value for the middle phase of the one inverter is compared with values for the minimum and the maximum value of the other inverter. It is checked whether the average value is in the interval spanned by the minimum value and the maximum value. If this is the case, a corresponding signal is output to change the cycle position of the inverter whose values determine the limits of the interval. Thus, by shifting the cycles of this inverter, it is forced to satisfy the condition of falling in the interval. In this way, an overlapping operation of the two inverters is ensured. This is, as the invention has recognized, favorable for a reduction of the common-mode voltages.
Die Erfindung erstreckt sich ferner auf einen entsprechenden Umrichter für Windenergieanlagen. Ferner erstreckt sich die Erfindung auf ein entsprechendes Verfahren.The invention also extends to a corresponding inverter for wind turbines. Furthermore, the invention extends to a corresponding method.
Zur näheren Beschreibung wird auf vorstehende Ausführungen zu der erfindungsgemäßen Windenergieanlage verwiesen.For a more detailed description, reference is made to the above statements on the wind energy plant according to the invention.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen:
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1 . eine schematische Ansicht einer Windenergieanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
2 . ein Schaltbild eines Umrichters; -
3 . Diagramme zu einem Ansteuersignal des Umrichters; -
4 . ein Blockschaltbild für eine Ansteuerung des Umrichters; -
5 . ein Blockschaltbild zu einem Phasensortierer; -
6 . ein Blockschaltbild zu einem Relativlage-Detektor; -
7 . ein Diagramm zu Zyklenlagen; -
8 . Diagramme zur Ansteuerung von Stromventilen mit und ohne Gleichtakt-Optimierung; und -
9 . Diagramme zur Ansteuerung von Stromventilen des Umrichters mit unterschiedlicher Spannung.
-
1 , a schematic view of a wind turbine according to an embodiment of the invention; -
2 , a circuit diagram of an inverter; -
3 , Diagrams for a control signal of the inverter; -
4 , a block diagram for driving the inverter; -
5 , a block diagram of a phase sorter; -
6 , a block diagram of a relative position detector; -
7 , a diagram of cycles; -
8th , Diagrams for the control of flow control valves with and without common mode optimization; and -
9 , Diagrams for controlling the current valves of the inverter with different voltage.
Zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels für die Erfindung wird zuerst Bezug genommen
Die Windenergieanlage
Am Fuß des Turms
Der grundsätzliche Aufbau des Umrichters
Der netzseitige Wechselrichter
Entsprechend weist der generatorseitige Wechselrichter
Die Steuersignale A1, A2 und A3 sowie B1, B2 und B3 werden von einem zur Steuerung des Umrichters
Diese Signale sind angelegt an einen Eingang einer Offseteinheit
Die so gewonnenen Steuersignale sind angelegt an eine Modulationsstufe
Erfindungsgemäß vorgesehen sind ein Zyklenlagedetektor
Für eine detailliertere Erläuterung des Phasensortierers
Ferner ist der Ausgang des Inverters
Der Ausgang des Multiplizierers ist an den anderen Eingang des zweiten Summationsgliedes
Die beiden Signaltrios ASmin, ASmid, ASmax bzw. BSmin, BSmid und BSmax für die Ansteuerung des netzseitigen bzw. generatorseitigen Wechselrichters
Die Signale BSmin und BSmax sind jeweils angelegt an einen negativen Eingang eines Differenzgliedes
Dieser Übergang von den drei nummerierten Steuersignalen A1ref, A2ref, A3ref auf die nach Amplitudengröße sortierten Signal Amax, Amin, Amid sowie entsprechend von den Signalen Bref1, Bref2, Bref3 zu Bmax, Bmin, Bmid sind in
Somit bildet die Kreuzvergleichseinheit
Die Grundzüge der Ansteuerung des Umrichters
Es wird nun Bezug genommen auf
Unter Nutzung der erfindungsgemäßen Zyklusverschiebung ändert sich die Zyklenlage, mit welcher die Wechselrichter
Es wird nunmehr Bezug genommen auf die
Anders stellt sich dies für den anderen Betriebsfall da, der in der rechten Bildhälfte dargestellt ist. Hier ist die Spannung des generatorseitigen Wechselrichters
Damit erreicht die Erfindung mit einem Minimum an Eingriffen in die Umrichtersteuerung eine beträchtliche Verringerung der Gleichtaktspannung, und insbesondere der der daraus resultierenden Leistungsdichte für Störungen. Die Erfindung eignet sich besonders für die Anordnung bei Windenergieanlagen, die weit entfernt voneinander entfernte Generatoren und Umrichter aufweisen; sie eignet sich aber auch bei gemeinsamer Anordnung von Generator und Umrichter. Da lediglich Modifizierungen in der Umrichtersteuerung erforderlich sind, eignet sich die Erfindung insbesondere auch zur Nachrüstung bestehender Windenergieanlagen.Thus, with a minimum of interference in the inverter control, the invention achieves a significant reduction in common mode voltage, and in particular, the resulting power density for noise. The invention is particularly suitable for the arrangement in wind turbines, which have widely spaced generators and converters; but it is also suitable for the joint arrangement of generator and inverter. Since only modifications in the inverter control are required, the invention is particularly suitable for retrofitting existing wind turbines.
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